第五章-傳熱技術(shù)2

第五章傳熱技術(shù)

第一節(jié)傳熱的主要任務(wù)

一、傳熱在制藥生產(chǎn)中的應(yīng)用

大多數(shù)的化學(xué)反應(yīng)都伴隨著反應(yīng)熱的釋放或吸收

（1）

（2）

蒸發(fā)、蒸餾等單元操作伴隨著傳熱過(guò)程

（3）設(shè)備保溫防止熱量或冷量的損失改善勞動(dòng)條件

（4）廢熱的回收和能量的綜合利用二、傳熱的基本方式根據(jù)傳熱機(jī)理的不同，熱量傳遞的基本方式有三種：

1．熱傳導(dǎo)物體中溫度較高部分的分子因振動(dòng)而與相鄰分子相碰撞，將熱能傳給溫度較低部分的傳熱方式。其特點(diǎn)：物體中的分子不發(fā)生相對(duì)位移。12．熱對(duì)流流體中質(zhì)點(diǎn)發(fā)生相對(duì)位移而引起的熱量傳遞過(guò)程

其特點(diǎn)：伴隨流體運(yùn)動(dòng)，因運(yùn)動(dòng)方式不同，又分為

自然對(duì)流

強(qiáng)制對(duì)流

自然對(duì)流：因流體中各處溫度不同而引起密度的差別，使流體質(zhì)點(diǎn)產(chǎn)生相對(duì)位移。

強(qiáng)制對(duì)流：因外力作用，迫使流體的質(zhì)點(diǎn)沿某個(gè)方向流動(dòng)。3．熱輻射

高溫物體以電磁波的形式進(jìn)行的一種傳熱現(xiàn)象。其特點(diǎn)：不需要任何介質(zhì)作媒介，它可以在真空中傳播

實(shí)際上，以上三種傳熱方式很少單獨(dú)存在，一般都是兩種或三種方式同時(shí)出現(xiàn)。本章

重點(diǎn)討論導(dǎo)熱和對(duì)流兩種傳熱方式。

2三、工業(yè)生產(chǎn)上的換熱方法參與傳熱的流體稱為載熱體

熱載熱體或加熱劑

冷載熱體或冷卻劑、冷凝劑

冷載熱體或冷卻劑、冷凝劑

熱載熱體或加熱劑：具有較高溫度的放熱流體

：具有較低溫度的吸熱流體

冷、熱兩種流體在換熱器內(nèi)進(jìn)行熱交換，實(shí)現(xiàn)熱交換的方式有以下三種：

1．直接接觸式換熱冷熱兩種流體直接接觸，在混合過(guò)程中進(jìn)行熱交換。如圖5-1所示利用固體填充物來(lái)積蓄和釋放熱量而達(dá)到換熱的目的。如圖5-2所示

2．蓄熱式換熱3．間壁式換熱

參與傳熱的兩種流體被固體間壁隔開(kāi)，冷、熱兩流體在不直接接觸的條件下通過(guò)

固體間壁進(jìn)行熱量的交換。如圖5-3所示3四、間壁式換熱器簡(jiǎn)介間壁式換熱的特點(diǎn)：冷、熱流體被一固體隔開(kāi)，分別在壁的兩側(cè)流動(dòng)，不相混合，通過(guò)固體壁進(jìn)行熱量傳遞。

1．套管式換熱器

套管式換熱器是由兩種直徑大小不同的直管組成的同心管，一種流體在內(nèi)管中流動(dòng)，

另一種流體在內(nèi)、外兩壁間的環(huán)隙中流動(dòng)，

通過(guò)內(nèi)管管壁進(jìn)行熱量交換。內(nèi)管壁的表面積即為傳熱面積。

2．列管式換熱器列管式換熱器由殼體、管束、管板和封頭等部件組成。

換熱管內(nèi)的通道及與其兩端相貫通處稱為管程

換熱管外的通道及與其相貫通處稱為殼程

4流經(jīng)管程的流體稱為管程流體。若管流體一次通過(guò)管程，稱為單管程

流經(jīng)殼程的流體稱為殼程流體。殼流體一次通過(guò)殼程，稱為單殼程

五、穩(wěn)定傳熱與不穩(wěn)定傳熱穩(wěn)定傳熱:在傳熱系統(tǒng)中溫度分布不隨時(shí)間而改變的傳熱過(guò)程

不穩(wěn)定傳熱:

若傳熱系統(tǒng)中溫度分布隨時(shí)間變化的傳熱過(guò)程

化工生產(chǎn)過(guò)程中的傳熱多為穩(wěn)定傳熱，本章只討論穩(wěn)定傳熱

第二節(jié)傳熱計(jì)算

一、傳熱速率方程傳熱速率Q：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)通過(guò)傳熱面的熱量。

實(shí)踐證明：兩股流體單位時(shí)間所交換的熱量，與傳熱面積A成正比，與冷熱兩種流體的溫度差成正比

即

5把上述比例式改寫(xiě)成等式，以表示比例常數(shù)，則得傳速率方程式

式中稱為傳熱系數(shù)

傳熱系數(shù)的意義是：當(dāng)溫度差為1時(shí)，在單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)單位面積所傳遞的熱量。

顯然，值的大小是衡量換熱器性能的一個(gè)重要指標(biāo)，值越大，表明在單位傳

熱面積上在單位時(shí)間內(nèi)傳遞的熱量越多。

單位傳熱面積上的傳熱速率與傳熱推動(dòng)力成正比，

與熱阻成反比。因此，提高換熱器傳熱速率的途徑

為提高傳熱推動(dòng)力和降低傳熱阻力。

二、熱負(fù)荷和載熱體用量的計(jì)算1．熱負(fù)荷的計(jì)算換熱器的熱負(fù)荷：熱流體的放熱量或冷流體的吸熱量

6熱負(fù)荷與傳熱速率的區(qū)別：熱負(fù)荷是由工藝條件決定的，是對(duì)換熱器的要求傳熱速率是換熱器本身的換熱能力，是設(shè)備的特征一個(gè)能滿足生產(chǎn)換熱要求的換熱器，必須使其傳熱速率等于（或略大于）熱負(fù)荷。

所以，通過(guò)計(jì)算熱負(fù)荷，便可確定換熱器的傳熱速率。

熱負(fù)荷的計(jì)算有以下三種方法：（1）焓差法利用流體換熱前、后焓值的變化計(jì)算熱負(fù)荷的計(jì)算式如下或

焓的數(shù)值決定于流體的物態(tài)和溫度。通常取0℃為計(jì)算基準(zhǔn)，規(guī)定液體和蒸汽的焓均取0℃液態(tài)的焓為0J/kg，而氣體則取0℃氣態(tài)的焓為0J/kg。

7（2）顯熱法此法用于流體在換熱過(guò)程中無(wú)相變化的情況。計(jì)算式如下

或

（3）潛熱法此法用于流體在換熱過(guò)程中僅發(fā)生相變化(如冷凝或氣化)的場(chǎng)合。

或

2．載熱體消耗量

當(dāng)確定了換熱器的熱負(fù)荷以后，載熱體的流量可根據(jù)熱量衡算確定。

3．載熱體的選用

【例題5-1】

載熱體的選擇可參考下列幾個(gè)原則：

①載體溫度必須滿足工藝要求；

②載熱體的溫度調(diào)節(jié)應(yīng)方便；

③載熱體應(yīng)具有化學(xué)穩(wěn)定性，不分解；

④載熱體的毒性小，對(duì)設(shè)備腐蝕性?。?/p>

⑤載熱體不易燃、不易爆；

⑥載熱體價(jià)廉易得。

8目前生產(chǎn)中使用得最廣泛的載熱體是飽和水蒸汽和水

（1）飽和水蒸汽

優(yōu)點(diǎn)：加熱均勻、能準(zhǔn)確的控制加熱溫度。缺點(diǎn)：加熱溫度受到制約。一般水蒸氣加熱的溫度范圍在120~180℃，絕對(duì)壓在200~1000kPa。水蒸汽加熱分為直接和間接兩種。直接法是將蒸汽用管子直接通入被加熱的液體中，蒸汽所含熱量可以完全利用，

但液體被稀釋。間接法是在換熱器中進(jìn)行，加熱時(shí)必須注意以下兩點(diǎn)：

①要經(jīng)常排除不凝性氣體②要不斷排除冷凝水

（2）水是廣泛使用的冷卻劑。

優(yōu)點(diǎn)：易于獲得，價(jià)格較低。缺點(diǎn)：①水的初溫由氣候條件決定，一般為4~25℃，

9：②水中含有一定量的污垢雜質(zhì)，當(dāng)沉積在換熱器壁面上時(shí)就會(huì)降低換熱器的傳熱效果。

冷卻水溫的確定主要從溫度和流速兩個(gè)方面考慮：①水與被冷卻的流體之間一般應(yīng)有5~35℃的溫度差。②冷卻水的溫度不能超過(guò)40~50℃，以避免溶解在水中的各種鹽類析出，在傳熱壁面上形成污垢。③水的流速不應(yīng)小于0.5m/s，否則在傳熱面上易產(chǎn)生污垢。如果需要把物料加熱到180℃以上，就不用飽和水蒸汽而需要用其他的載熱體，這類載熱體工業(yè)上稱為高溫載熱體；如果把物料冷卻到5~10℃或更低的溫度，就必須采用低溫冷卻劑。

工業(yè)上常用的載熱體列于表5-1。

三、平均溫度差

用傳熱速率方程式計(jì)算換熱器的傳熱速率時(shí)，因傳熱面各部位的傳熱溫度差不同，

10必須以平均傳熱溫度差代替

即

的數(shù)值與流體流動(dòng)情況有關(guān)。

1．恒溫傳熱時(shí)的平均溫度差恒溫傳熱——參與傳熱的冷、熱兩種流體在換熱器內(nèi)的任一位置、任一時(shí)間，

都保持其各自的溫度不變，的傳熱過(guò)程。

恒溫傳熱時(shí)的平均溫度差:

和流動(dòng)方向無(wú)關(guān)。2．變溫傳熱時(shí)的平均溫度差變溫傳熱——參與傳熱的兩種流體（或其中之一）有溫度變化。變溫傳熱時(shí)，其平均溫度差的計(jì)算方法因流向的不同而異。

11

（1）單側(cè)變溫時(shí)的平均溫度差

圖5-6所示為一側(cè)流體溫度有變化，另一側(cè)流體的溫度無(wú)變化的傳熱。

其溫度差的平均值可取其對(duì)數(shù)平均值，

式中取＞

和

為傳熱過(guò)程中最初、最終的兩流體之間溫度差。

在工程計(jì)算中，當(dāng)

時(shí)，可近似地采用算術(shù)平均值，即

算術(shù)平均溫度差與對(duì)數(shù)平均溫度差相比較，在

＜2時(shí)，其誤差＜4%。

單邊變溫傳熱時(shí)流體的流動(dòng)方向?qū)o(wú)影響。

12（2）雙側(cè)變溫時(shí)的平均溫度差

變溫傳熱中，參與熱交換的兩種流體的流向大致有四種類型，如圖5-7所示。并流：兩者平行而同向的流動(dòng)

逆流：兩者平行而反向的流動(dòng)

錯(cuò)流：垂直交叉的流動(dòng)

折流：一流體只沿一個(gè)方向流動(dòng)，而另一流體反復(fù)折流變溫傳熱時(shí)，其平均溫度差的計(jì)算方法因流向的不同而異。

13①并流和逆流時(shí)的平均溫度差

②錯(cuò)流和折流時(shí)的平均溫度差

先按逆流計(jì)算對(duì)數(shù)平均溫度差，再乘以溫度差修正系數(shù)，即

各種流動(dòng)情況下的溫度差修正系數(shù)，可以根據(jù)和兩個(gè)參數(shù)查圖5-814由于

的值小于1，故折流和錯(cuò)流時(shí)的平均溫度差總小于逆流。

四、傳熱系數(shù)的測(cè)定和經(jīng)驗(yàn)值

傳熱系數(shù)值的來(lái)源有以下三個(gè)方面。

1．現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)

2．采用經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)3．計(jì)算法

見(jiàn)表5-2。

傳熱系數(shù)的計(jì)算公式可利用串聯(lián)熱阻疊加原則導(dǎo)出。對(duì)于間壁式換熱器，如圖5-9所示，兩流體通過(guò)間壁的傳熱包括以下過(guò)程：

（1）熱流體在流動(dòng)過(guò)程中把熱量傳給間壁的對(duì)流傳熱；（2）通過(guò)間壁的熱傳導(dǎo)；（3）熱量由間壁另一側(cè)傳給冷流體的對(duì)流傳熱。15傳熱過(guò)程的總阻力應(yīng)等于兩個(gè)對(duì)流傳熱阻力與一個(gè)導(dǎo)熱阻力之和。

第三節(jié)熱傳導(dǎo)是傳熱總阻力的倒數(shù)，故可通過(guò)串聯(lián)熱阻的方法計(jì)算總阻力，進(jìn)而計(jì)算值

一、導(dǎo)熱基本方程和熱導(dǎo)率（導(dǎo)熱系數(shù)）1．熱傳導(dǎo)方程式（導(dǎo)熱基本方程）

如圖5-10所示。均勻材料構(gòu)成的平壁，且＞實(shí)踐證明：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)物體以熱傳導(dǎo)方式傳遞的熱量與傳熱面積成正比，

與壁面兩側(cè)的溫度差（－）成正比，而與壁面厚度δ成反比，

即

引入比例系數(shù)，則得

稱為熱傳導(dǎo)方程式，或傅里葉定律

162．熱導(dǎo)率（導(dǎo)熱系數(shù)）比例系數(shù)稱為熱導(dǎo)率（又稱導(dǎo)熱系數(shù)）

W/（m·K）或W/（m·℃)

導(dǎo)熱系數(shù)的意義是：當(dāng)間壁的面積為1m2，厚度為1m，壁面兩側(cè)的溫度差為1時(shí)，

在單位時(shí)間內(nèi)以熱傳導(dǎo)方式所傳遞的熱量。

顯然，導(dǎo)熱系數(shù)值越大，則物質(zhì)的導(dǎo)熱能力越強(qiáng)。各種物質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)通常用實(shí)驗(yàn)方法測(cè)定。

一般來(lái)說(shuō)，金屬的導(dǎo)熱系數(shù)最大，非金屬固體次之，液體的較小，而氣體的最小。

17（1）固體的導(dǎo)熱系數(shù)

表5-3為常用固體材料的導(dǎo)熱系數(shù)。金屬是良導(dǎo)電體，也是良好的導(dǎo)熱體。

非金屬建筑材料或絕熱材料（又稱保溫材料）的導(dǎo)熱系數(shù)與物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)的致密程度及溫度有關(guān)。通常值隨密度的增加而增大，

也隨溫度的升高而增大。

（2）液體的導(dǎo)熱系數(shù)表5-4列出了幾種液體的導(dǎo)熱系數(shù)。

一般，純液體的導(dǎo)熱系數(shù)比其溶液的導(dǎo)熱系數(shù)大。（3）氣體的導(dǎo)熱系數(shù)

表5-5列出了幾種氣體的導(dǎo)熱系數(shù)。氣體的導(dǎo)熱系數(shù)很小，對(duì)導(dǎo)熱不利，但有利于絕熱和保溫。18二、通過(guò)平壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)1．單層平壁的熱傳導(dǎo)

把上式改寫(xiě)成下面的形式

=式中溫度差

是導(dǎo)熱過(guò)程的推動(dòng)力

而=，

為單層平壁的導(dǎo)熱熱阻。

2．多層平壁的熱傳導(dǎo)以三層壁為例，如圖5-11所示

三種不同材質(zhì)構(gòu)成的多層平壁截面積為，

各層的厚度為δ1，δ2和δ3，

19各層的導(dǎo)熱系數(shù)為1，2和3，

若各層的溫度差分別為，和

則三層的總溫度差

穩(wěn)定傳熱，各層的傳熱速率相等，下式的關(guān)系成立結(jié)論：多層平壁的導(dǎo)熱的總推動(dòng)力等于各層導(dǎo)熱的推動(dòng)力之和；

多層平壁的導(dǎo)熱的總熱阻等于各層導(dǎo)熱的熱阻之和。該式還可變形為下式20結(jié)論：在多層平壁導(dǎo)熱中，推動(dòng)力大的壁面其熱阻也大。壁面溫度的計(jì)算：由

得

同理：

三、通過(guò)圓筒壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)

1．單層圓筒壁的熱傳導(dǎo)圓筒壁導(dǎo)熱與平壁導(dǎo)熱區(qū)別：平壁導(dǎo)熱面積為定值；圓筒壁導(dǎo)熱面積隨半徑發(fā)生變化。

21假設(shè)：圓筒壁傳熱面積采用導(dǎo)熱面積的平均值則圓筒壁的熱傳導(dǎo)可仿照平壁的熱傳導(dǎo)來(lái)處理，即：

式中

帶入上式得：

——圓筒內(nèi)壁半徑，m；

——圓筒外壁半徑，m；

——圓筒壁的平均半徑，m；

——圓筒長(zhǎng)度，m。

當(dāng)時(shí)，

22單層圓筒壁的導(dǎo)熱熱阻為：

2．多層圓筒壁的熱傳導(dǎo)三層圓筒壁，其公式為：

第四節(jié)對(duì)流傳熱

一、對(duì)流傳熱方程1．對(duì)流傳熱分析冷熱兩個(gè)流體通過(guò)金屬壁面進(jìn)行熱量交換時(shí)，由流體將熱量傳給壁面或者由壁

23面將熱量傳給流體的過(guò)程稱為對(duì)流傳熱（或給熱）。對(duì)流傳熱是層流內(nèi)層的導(dǎo)熱和湍流主體對(duì)流傳熱的統(tǒng)稱。圖5-14是表示對(duì)流傳熱的溫度分

布示意圖，由于層流內(nèi)層的導(dǎo)熱熱阻大，所需要的推動(dòng)力溫度差就比

較大，溫度曲線較陡，幾乎成直線

下降；在湍流主體，流體溫度幾乎

為一恒定值。一般將流動(dòng)流體中存

在溫度梯度的區(qū)域稱為溫度邊界

層，亦稱熱邊界層。

2．對(duì)流傳熱方程實(shí)踐證明：在單位時(shí)間內(nèi)，以對(duì)流24傳熱過(guò)程傳遞的熱量與固體壁面的面積成正比；與壁面溫度和流體主體平均溫度差成正比。

熱流體一側(cè)：

冷流體一側(cè)：

T、——流體主體的平均溫度，℃。

——單位時(shí)間內(nèi)以對(duì)流傳熱方式傳遞的熱量，W；

A——面積，m2；

——壁面兩側(cè)的溫度，℃；

引入比例系數(shù),上式可寫(xiě)成：

——對(duì)流傳熱系數(shù)（或給熱系數(shù)）。單位：W/(m2·℃)。

又：

=則對(duì)流傳熱過(guò)程的熱阻

為：

25二、對(duì)流傳熱系數(shù)

1．影響對(duì)流傳熱系數(shù)的因素

的物理意義是，流體與壁面溫度差為1℃時(shí)，在單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)每m2以對(duì)流方式

所傳遞的熱量。

值表示對(duì)流傳熱的強(qiáng)度。

故↑，對(duì)流傳熱的速率↑。

（1）流體的種類液體、氣體和蒸汽；

（2）流體的物理性質(zhì)密度、黏度、導(dǎo)熱系數(shù)和比熱容等；

（3）流體的相態(tài)變化在傳熱過(guò)程中有相變發(fā)生時(shí)的值比沒(méi)有相變發(fā)生時(shí)的值大得多；（4）流體對(duì)流的狀況強(qiáng)制對(duì)流時(shí)值大，自然對(duì)流時(shí)值小；

（5）流體的運(yùn)動(dòng)狀況湍流時(shí)值大，層流時(shí)值??；

26（6）傳熱壁面的形狀、位置、大小、管或板、水平或垂直、直徑、長(zhǎng)度和高度等。

2．對(duì)流傳熱系數(shù)

由于影響對(duì)流傳熱系數(shù)的因素太多，目前工程計(jì)算中采用理論分析與實(shí)驗(yàn)

相結(jié)合的方法建立起來(lái)的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式，即準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式。常用的準(zhǔn)數(shù)及物理意義列于

表5-6中。

在應(yīng)用準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式時(shí)，應(yīng)注意三個(gè)方面：①應(yīng)用范圍②特征尺寸③定性溫度

介紹常用的對(duì)流傳熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式來(lái)說(shuō)明關(guān)聯(lián)式的應(yīng)用。

（1）流體在圓形直管內(nèi)強(qiáng)制湍流無(wú)相變發(fā)生時(shí)適用于氣體或低黏度(小于2倍常溫水的黏度)液體

或

27當(dāng)流體被加熱時(shí)，當(dāng)流體被冷卻時(shí)，

①應(yīng)用范圍：

＞，

0.7＜＜120

若

＜60，

則需進(jìn)行修正。將上式求得的值乘以大于1的修正系數(shù)，即②特征尺寸：管內(nèi)徑。③定性溫度：取流體進(jìn)、出口溫度的算術(shù)平均值。（2）流體有相變化時(shí)的對(duì)流傳熱系數(shù)①蒸汽的冷凝：當(dāng)飽和蒸汽與溫度較低的固體壁面接觸時(shí)，蒸汽將放出大量的

潛熱，并在壁面上冷凝成液體。

蒸汽冷凝的兩種方式：

膜狀冷凝

珠狀冷凝

28膜狀冷凝——壁面上形成一層完整的液膜，蒸汽的冷凝只能在液膜的表面進(jìn)行。珠狀冷凝——冷凝液在壁面上形成珠狀，液滴自壁面滾轉(zhuǎn)而滴落，蒸汽與重新露

出的壁面直接接觸。當(dāng)蒸汽中不凝性氣體的含量為1%時(shí)，可降低60%左右。

一般換熱設(shè)備中的冷凝可按膜狀冷凝考慮。冷凝的傳熱系數(shù)一般都很大，

如水蒸汽作膜狀冷凝時(shí)的傳熱系數(shù)通常為5000~15000W/(m2·℃)。

因而傳熱壁的另一側(cè)熱阻相對(duì)地大，是傳熱過(guò)程的主要矛盾。

因此冷凝器應(yīng)裝有放氣閥，以便及時(shí)排除不凝性氣體。

②液體的沸騰

由于液體沸騰的對(duì)流傳熱是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，影響液體沸騰的因素很多，最

重要的是傳熱壁與液體的溫度差?，F(xiàn)以常壓下水沸騰的情況為例，說(shuō)明對(duì)流傳熱的情況。29沸騰曲線：a)自然對(duì)流階段當(dāng)溫度差較小時(shí)(AB段)，

在加熱表面上有少量的汽化核心，

加熱面附近的液層受到的擾動(dòng)不大，

傳熱主要以自然對(duì)流方式進(jìn)行。

隨的增大而略有增大。此階段稱為自然對(duì)流區(qū)。

b)核狀沸騰階段當(dāng)逐漸升高時(shí)（BC段），在加熱面上產(chǎn)生的汽化核心數(shù)目增加，

由于這些蒸氣泡的產(chǎn)生、脫離和上升使液體受到劇烈的擾動(dòng)，使隨的

增大而迅速增大，在C點(diǎn)處達(dá)到最大值。此階段稱為核狀沸騰。C點(diǎn)的溫度差稱為臨界溫度差。

30c)膜狀沸騰階段當(dāng)繼續(xù)增大時(shí)（CD段），氣泡形成的過(guò)快，加熱面逐漸被氣泡覆蓋，形成氣膜，使得傳熱過(guò)程中的熱阻大，開(kāi)始減小，到達(dá)D點(diǎn)時(shí)為最小值。此階段稱為

膜狀沸騰。

d)若在繼續(xù)增加（DE段），加熱面完全被蒸氣泡層所覆蓋，通過(guò)該蒸氣泡層的

熱量傳遞是以導(dǎo)熱和熱輻射方式進(jìn)行。再度隨的增大而增大

一般的傳熱設(shè)備通常總是控制在核狀沸騰下操作，很少發(fā)生膜狀沸騰。

液體沸騰時(shí)的值一般都比流體不相變的值大，

如果與沸騰液體換熱的另一股流體沒(méi)有相變化，傳熱過(guò)程的阻力主要是無(wú)相變流體的熱阻，在這種情況下，

值不一定要詳細(xì)計(jì)算，例如，水的沸騰值常取5000W/(m2·℃)。

表5-7中介紹了常用流體值的大致范圍。

31流體在傳熱過(guò)程中有相變化時(shí)的值比較大；

在沒(méi)有相變化時(shí)，水的值最大，油類次之，氣體和過(guò)熱蒸氣最小。

三、設(shè)備熱損失計(jì)算

許多化工設(shè)備的外壁溫度常高于周?chē)諝獾臏囟龋厝粫?huì)有熱量散失于周?chē)h(huán)

境中。這部分散失的熱量，除有對(duì)流傳熱方式進(jìn)行外，還有輻射傳熱的方式。所以，

設(shè)備損失的熱量應(yīng)等于對(duì)流傳熱和輻射傳熱兩部分之和。

所以，總的熱量損失為：對(duì)于有保溫層的設(shè)備、管道等，其外壁對(duì)周?chē)h(huán)境散熱的聯(lián)合膜系數(shù)，可

用下列各式進(jìn)行估算。

1．空氣自然對(duì)流時(shí)，當(dāng)＜150℃在平壁保溫層外

在管或圓筒壁保溫層外

322．空氣沿粗糙壁面強(qiáng)制對(duì)流時(shí)

空氣流速≤5m/s時(shí)空氣流速＞5m/s時(shí)為了減少熱量（或冷量）的損失和改善勞動(dòng)條件等，許多溫度較高（或較低）

的設(shè)備和管道都必須進(jìn)行隔熱保溫。保溫材料的種類很多，應(yīng)視具體情況加以選用。

保溫層厚度一般可查有關(guān)手冊(cè)，依經(jīng)驗(yàn)選用。

第五節(jié)傳熱系數(shù)一、傳熱系數(shù)的計(jì)算（串聯(lián)熱阻法）1．傳熱面為平壁33則式分母中的一項(xiàng)可以寫(xiě)成，則討論分析：①多層平壁

②若固體壁面為金屬材料，固體金屬的導(dǎo)熱系數(shù)大，而壁厚又薄，

一項(xiàng)與和相比可略去不計(jì)，則式還可寫(xiě)成

③當(dāng)＞＞時(shí),值接近與熱阻較大一項(xiàng)的值。

【例題5-8】

34④壁面的溫度（1）熱流體和圓筒壁內(nèi)壁面間的對(duì)流傳熱

(a)（2）通過(guò)圓筒壁的熱傳導(dǎo)(b)（3）圓筒壁外壁面和冷流體間的對(duì)流傳熱(c)壁溫總是比較接近值大的那一側(cè)流體的溫度。這一結(jié)論對(duì)設(shè)計(jì)換熱器是很重要的。

2．傳熱面為圓筒壁

冷熱流體通過(guò)圓筒壁的傳熱過(guò)程：35穩(wěn)定傳熱：

(a)+(b)+(c)得

結(jié)論：傳熱總推動(dòng)力等于傳熱各階段推動(dòng)力之和；傳熱總熱阻等于傳熱各階段熱阻之和。若以為傳熱基準(zhǔn)面積，則

稱為以外表面積為基準(zhǔn)的傳熱系數(shù)。

36同理可得

稱為以內(nèi)表面積為基準(zhǔn)的傳熱系數(shù)。

稱為以平均面積為基準(zhǔn)的傳熱系數(shù)。由于計(jì)算圓筒壁公式復(fù)雜，故一般在管壁較薄時(shí)，即＜2可取近似值：

簡(jiǎn)化為使用平壁計(jì)算式。二、污垢熱阻

生產(chǎn)中的換熱設(shè)備，因長(zhǎng)期使用在固體壁面上常有污垢積存，對(duì)傳熱產(chǎn)生附加

37熱阻，

使傳熱系數(shù)降低。某些常見(jiàn)流體的污垢熱阻的經(jīng)驗(yàn)值可查表5-8。

間壁兩側(cè)流體間傳熱總熱阻等于兩側(cè)流體的對(duì)流傳熱熱阻、污垢熱阻及管壁熱阻之和。

若管壁內(nèi)、外側(cè)表面上的污垢熱阻分別為和，根據(jù)串聯(lián)熱阻疊加原則，

第六節(jié)換熱器一、間壁式換熱器的類型

按照換熱面的形式，間壁式換熱器主要有管式、板式和特殊形式三種類型。1．管式換熱器（1）蛇管式換熱器

沉浸式換熱器

噴淋式換熱器

38①沉浸式換熱器如圖5-16a所示，是將蛇管沉浸在容器內(nèi)，盤(pán)管內(nèi)通入熱流體，

管外通過(guò)冷卻水進(jìn)行冷卻或冷凝；或者用于加熱或蒸發(fā)容器內(nèi)的流體。優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能承受高壓，可用耐腐蝕材料制造，適用于傳熱量不太大的場(chǎng)合。

缺點(diǎn)：管外對(duì)流傳熱系數(shù)小。為了提高其傳熱性能，可在容器內(nèi)安裝攪拌器，使器

內(nèi)液體作強(qiáng)制對(duì)流。

②噴淋式換熱器5-17所示，主要用作冷卻器。

優(yōu)點(diǎn)：便于檢修和清洗；

缺點(diǎn)：噴灑不易均勻，體積龐大，占地面積大。（2）套管式換熱器如圖5-18所示

39（3）列管式換熱器其構(gòu)造主要由管束、管板（花板）、殼體和封頭三部分組成。

形成了管內(nèi)和管外兩個(gè)空間，封頭與管板之間的分配室空間。管束的表面積就是傳熱面積。①固定管板式

圖5-20、圖5-21、圖5-2所示是三種不同結(jié)構(gòu)的列管式換熱器。

所謂固定管板是將安裝著管束的兩塊管板直接固定在外殼上。

一般來(lái)說(shuō)，傳熱管與殼體的材質(zhì)不同，在換熱過(guò)程中由于兩流體的溫度不同，使管束和殼體的溫度也不同，因此它們的熱膨脹程度也有差別。若兩流體的溫度差較大，就可能由于過(guò)大的熱應(yīng)力而引起設(shè)備的變形，甚至彎曲或破裂。因此，當(dāng)兩流體的溫度差超過(guò)50℃時(shí)，就應(yīng)采取熱補(bǔ)償?shù)拇胧?。具有補(bǔ)償圈（或稱膨脹節(jié)）的固定管板式換熱器

這種補(bǔ)償方法簡(jiǎn)單，但不宜應(yīng)用于兩流體溫度差較大和殼程壓力較高的場(chǎng)合。

40

②U型管式換熱器如圖5-21所示，由于管子彎成U型，U型傳熱管的兩端固定在一塊

管板上，因此每根管子都可以自由的伸縮。而且整個(gè)管束可以拉出殼外進(jìn)行清洗，但管內(nèi)的

清洗比較困難，只適用于潔凈而不易結(jié)垢的流體，如高壓氣體的換熱。

41③浮頭式換熱器圖5-22是浮頭式換熱器，由于一端管板不與殼體固定，是浮頭結(jié)構(gòu)，

當(dāng)管子受熱或冷卻時(shí)，管束連同浮頭可以自由伸縮。而且管束還可以從殼體中抽出，不僅管

外可以清洗，管內(nèi)也可以清洗。浮頭式換熱器的構(gòu)造較為復(fù)雜，與其他形式的換熱器相比造

價(jià)較高，但目前仍是應(yīng)用最廣泛的換熱器。

列管換熱器中，一般管內(nèi)空間容易清洗，故不清潔和易結(jié)垢的流體走管內(nèi)，還

有腐蝕性流體、高壓流體和高溫等流體走管內(nèi)。但是，蒸汽、沸騰液體走殼方，對(duì)

于這種場(chǎng)合殼方不需要擋板。

2．板式換熱器這類換熱器一般不能承受高壓和高溫，但對(duì)于壓力較低、溫度不高或腐蝕性

強(qiáng)而須用貴重材料的場(chǎng)合，各種板式換熱器都顯示出更大的優(yōu)越性。

（1）夾套式換熱器如圖5-25所示。（2）螺旋板式換熱器圖5-26所示。42